Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Hasonló dokumentumok
r a sugara, h a magassága a hengernek a maximalizálandó függvényünk a V (r, h) = πr 2 h. Az érintkezési pontokban x 2 + y 2 = r 2 és z = h/2.

Lagrange és Hamilton mechanika

1. Az előző előadás anyaga

Geometriai vagy kinematikai természetű feltételek: kötések vagy. kényszerek. 1. Egy apró korong egy mozdulatlan lejtőn vagy egy gömb belső

Losonczi László. Debreceni Egyetem, Közgazdaság- és Gazdaságtudományi Kar

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Az elméleti mechanika alapjai

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

2 (j) f(x) dx = 1 arcsin(3x 2) + C. (d) A x + Bx + C 5x (2x 2 + 7) + Hx + I. 2 2x F x + G. x

Tartalomjegyzék. A mechanika elvei. A virtuális munka elve. A TételWiki wikiből 1 / 6

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

Többváltozós, valós értékű függvények

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

differenciálegyenletek

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

Bevezetés az elméleti zikába

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

6. A Lagrange-formalizmus

Differenciálegyenletek numerikus megoldása

Feladatok megoldásokkal az ötödik gyakorlathoz (Taylor polinom, szöveges szélsőérték problémák)

Differenciálegyenletek december 13.

Kétváltozós függvény szélsőértéke

Nemlineáris programozás 2.

MATEMATIKA 2. dolgozat megoldása (A csoport)

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

3. előadás Stabilitás

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Matematika III. harmadik előadás

A brachistochron probléma megoldása

11. gyakorlat megoldásai

Függvények vizsgálata

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

1.7. Elsőrendű lineáris differenciálegyenlet-rendszerek

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Differenciálegyenletek

11. gyakorlat megoldásai

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

12. Mikor nevezünk egy részhalmazt nyíltnak, illetve zártnak a valós számok körében?

Matematika A1a Analízis

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

MATEMATIKA 2. TANTÁRGYLEÍRÁS. 1.2 Azonosító (tantárgykód) GKNB_MSTM Kurzustípusok és óraszámok (heti/féléves)

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

6. Differenciálegyenletek

Többváltozós Függvények Analízise; Differenciálegyenletek Tantárgyi tájékoztató, 2014/2015 tavaszi félév

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

3. Lineáris differenciálegyenletek

Matematikai háttér. 3. Fejezet. A matematika hozzászoktatja a szemünket ahhoz, hogy tisztán és világosan lássa az igazságot.

Differenciálegyenlet rendszerek

Fourier sorok február 19.

Differenciálegyenletek

Óravázlatok: Matematika 2.

MÉSZÁROS JÓZSEFNÉ, NUMERIKUS MÓDSZEREK

Differenciálegyenletek

Feladatsor A differenciálgeometria alapja c. kurzus gyakorlatához

ANALÍZIS III. ELMÉLETI KÉRDÉSEK

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

Hamilton rendszerek, Lyapunov függvények és Stabilitás. Hamilton rendszerek valós dinamikai rendszerek, konzerva3v mechanikai rendszerek

Utolsó el adás. Wettl Ferenc BME Algebra Tanszék, Wettl Ferenc (BME) Utolsó el adás / 20

Matematika elméleti összefoglaló

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

Égi mechanika tesztkérdések. A hallgatók javaslatai 2008

1. Bevezetés Differenciálegyenletek és azok megoldásai

Simított részecskedinamika Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

2. Hogyan számíthatjuk ki két komplex szám szorzatát, ha azok a+bi alakban, illetve trigonometrikus alakban vannak megadva?

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

A fluxióelmélet. Az eredeti összefüggés y=5x 2

Közönséges differenciálegyenletek megoldása Mapleben

Hatványsorok, Fourier sorok

9. TÖBBVÁLTOZÓS FÜGGVÉNYEK DIFFERENCIÁLSZÁMITÁSA. 9.1 Metrika és topológia R k -ban

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Feladatok a Diffrenciálegyenletek IV témakörhöz. 1. Határozzuk meg következő differenciálegyenletek általános megoldását a próba függvény módszerrel.

HÁZI FELADATOK. 1. félév. 1. konferencia A lineáris algebra alapjai

6. Folytonosság. pontbeli folytonosság, intervallumon való folytonosság, folytonos függvények

2. Házi feladat és megoldása (DE, KTK, 2014/2015 tanév első félév)

Többváltozós, valós értékű függvények

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

n 2 2n), (ii) lim Értelmezési tartomány, tengelymetszetek, paritás. (ii) Határérték. (iii) Első derivált, monotonitás, (ii) 3 t 2 2t dt,

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Matematika III előadás

Maple: Deriváltak és a függvény nevezetes pontjai

SZÉLSŐÉRTÉKKEL KAPCSOLATOS TÉTELEK, PÉLDÁK, SZAKDOLGOZAT ELLENPÉLDÁK. TÉMAVEZETŐ: Gémes Margit. Matematika Bsc, tanári szakirány

Matematika. 4. konzultáció: Kétváltozós függvények szélsőértéke. Parciális függvény, parciális derivált

Átírás:

Lagrange egyenletek Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását megnehezíti a δr i virtuális elmozdulások egymástól való függősége. (F i ṗ i )δx i = 0, i = 1, 3N. (1) i 3N infinitezimális δx i, s holonom kötés f = 3N s darab független változó: q 1, q 2,..., q f általános koordináták r i = r i (q 1, q 2,..., q f, t), i = 1, N δx i = x i δq r, i = 1, 3N, r = 1, f Einstein-féle összegzési konvenció érvényben (r-re.)

δw = i F i δx i = F i x i δq r = Q r δq r (2) ahol Q r = i F i x i, r = 1, f az ún. általános erők. A statikus rendszerekre alkalmazott virtuális munka elvéből (δw = 0, δq r ): Q r = 0

Az (1) egyenletből a D Alembert elv megfelelő egyenlete: Használjunk kizárólag általános koordinátákat i ṗ i x i Q r = 0. (3) ẋ i = dx i dt = x i q r ẋ i q r x i ṗ i = d dt ( ) d x i p i = d dt dt ( ) d xi p i = p i dt ( x i p i Behelyettesítések: (6), (7) (5) (3) ) d p i dt = x i. (4) ( ) xi ) = d ( mi ) dt q r 2 ẋ i 2 ( ẋ i m i ẋ i q r d dt x ẋ i i = m i ẋ i = ( mi ) 2 ẋ i 2 (5) (6) (7) Lagrange-féle másodfajú egyenlet ( ) d T T dt q r = Q r. r = 1, f (8)

Lagrange-féle másodfajú egyenlet ( ) d T T dt q r = Q r. r = 1, f (9) Sikerült kiküszöbölni a kényszereket. A Lagrange-egyenletek másodrendű differenciálegyenletei a q r (t) függvényeknek q() = q 0, q() = q 0 alakú kezdeti feltételek.

Az munka, erő és potenciális energia között fennálló kapcsolatokat alkalmazzuk a δq r virtuális elmozdulás, δw virtuális munka és a Q r általánosított erő esetére. Virtuálisan konzervatív U(q, t) erőtér (a tér által végzett munka zárt görbe mentén nulla, ha végtelenül rövid idő alatt járjuk be azt) tetszőleges δq r -re, tehát δw = Q r δq r = δu = U δq r. Q r = U. (10) Lagrange egyenlet ( ) d L L dt q r = 0, r = 1, f ; L(q, q, t) = T (q, q, t) U(q, t). (11) Az L = T U függvényt Lagrange-függvénynek nevezzük. (a mozgásegyenletek fenti alakja konzervatív kölcsönhatás és holonom kötések esetén érvényes)

Minimális hatás elve A Lagrange-egyenletet olyan formába írjuk át, hogy a virtuális elmozdulások tényleges szerephez jussanak. δq(t) a q(t) valós pálya és a q(t) + δq(t) virtuális pályák közötti eltérés. (sima) d δqr (t) = δ qr (t), (12) dt azaz a virtuális elmozdulás idő szerinti deriváltja megegyezik a sebességben történő virtuális változással. Egy tetszőleges f (q, q, t) mennyiség megfelelő virtuális változása elsőrendben: δf (q, q, t) = f (q + δq, q + δ q, t) f (q, q, t) = = f δq r + f δ q r = q r (12) = f ( f δq r + d dt ( f δq r q r = d dt ) + δq r q r [ f d dt ) d ( f dt q r ( f q r ) δq r = )] δq r

Vezessük be a I [q;, t 1] = t1 f (q, q, t)dt integráltat. I függvénye a és t 1 integrálási határoknak és funkcionálja a q(t) pályának. q 0 = q() és q 1 = q(t 1) pontot összekötő pályához az f = 3N s dimenziós térben egyértelműen megfeleltet egy valós értéket. Elsőrendben δi [q;, t 1] = I [q + δq;, t 1] I [q;, t 1] = = változás az I értékében. t1 [f (q + δq, q + δ q, t) f (q, q, t)]dt = t1 = δf (q, q, t) = = f t 1 t1 [ δq r f q r d ( )] f δq r dt dt q r +

Tekintsük a virtuális pályák egy olyan osztályát, melyben a q 0 és q 1 végpontok rögzítettek, azaz formálisan: δq 0 = δq 1 = 0. Ebben az esetben a fenti egyenlet jobboldalán megjelenő első tag eltűnik és: δi [q;, t 1] = t1 [ f d dt ( f q r )] δq r dt Tétel: Ha egy f (x) folytonos valós függvényre fennáll, hogy x1 x 0 f (x)η(x)dx = 0 minden olyan η(x) folytonosan differenciálható valós függvényre, mely kielégíti a η(x 0) = η(x 1) = 0 peremfeltételeket, akkor az f (x) függvény azonosan nulla az [x 0, x 1] szakaszon. A fenti tétel kiterjeszthető többváltozós függvényekre. Ez esetben, ha m i=1 x1 x 0 f i (x)η i (x)dx = 0, η i (x 0) = η i (x 1) = 0, és η 1(x), η 2(x),... η m(x) egymástól függetlenek, akkor fennáll, hogy f 1(x) = f 2(x) = = f m(x) = 0, x [x 0, x 1]

t1 [ f δi [q;, t 1] = d ( )] f δq r dt dt q r Az előbbi tétel értelmében: δq(t) tetszőleges függvény az integrál eltűnésének szükséges és elégséges feltétele a f d ( ) f = 0 (13) dt q r (13) I [q;, t 1] elsőrendben nem változik a funkcionál stacionárius q(t)-ben.

A Lagrange-féle mozgásegyenletek esetén a rendszer mozgását az alábbi elv formájában is megfogalmazhatjuk: Minimális hatás elve (Hamilton elv) Egy f szabadsági fokú rendszer egy olyan q(t) = (q 1(t), q 2(t),..., q f (t)) pályán mozog a és t 1 időpontok között a q() pontból a q(t 1) pontba, hogy az S[q;, t 1] = t1 hatásfüggvény, vagy másnéven hatásintegrál, minimális. L(q, q, t)dt (14) Newton általános érvényű mozgástörvényéből vezettük le konzervatív rendszerekre kizárólag holonom kötésekre A mechanikában kevésbé általános érvényű mint a Newton második törvényét képező másodrendű differenciálegyenlet. Ennek ellenére univerzális elv.

Egyváltozós függvények szélsőértéke A derivált zérushelyeiben tan α = y (x) = 0, tehát az érintő vízszintes. Ezeket stacionárius pontoknak nevezzük. A függvénynek szélsőértéke van x 0-ban, ha y(x) y(x 0) különbség előjeltartó x 0 tetszőlegesen kis környezetében. Ellenkező esetben x 0 áthajlási (inflexiós) pont. A stacionárius pont típusát szélsőérték vagy áthajlási pont az a legkisebb rendű derivált adja meg, mely nem eltűnő. Ha ez m, akkor a T m(x) y(x 0) = y (m)(x 0) (x x 0) m m 2 m! polinom páros m esetén szélsőértéket, páratlan esetén pedig áthajlást eredményez x 0-ban. Amennyiben az y (x 0) másodrendű derivált nem nulla, a T 2(x) másodrendű megközeĺıtés egy parabola, melynek csúcsa az (x 0, y(x 0)) pontban helyezkedik el. Ha y (x) < 0, akkor a szélsőérték egy maximum ellenkező esetben minimum.

Többváltozós függvények szélsőértéke. Sylvester tétele Legyen u : D R n R egy többváltozós függvény. x 0 a D tartomány belső pontja és x D egy elég kis környezetében levő tetszőleges pont. u megközeĺıthető másodrendű Taylor polinomjával: u(x) T 2(x) = u(x 0 ) + n u xi (x 0 ) x i + 1 2! i=1 n u xi x j (x 0 ) x i x j, Elég kis környezet az a tartomány értjük melyen belül a másodrendű tag sokkal kisebb mint az elsőrendű. A szélsőérték feltétele, hogy n u xi (x 0 ) x i + 1 2! i=1 n i,j=1 előjeltartó. Az elsőrendű tag előjeltartása kizárt: i,j=1 u xi x j (x 0 ) x i x j, x i = x i x 0 i (15) u xi (x 0 ) = 0, i = 1, n u stacionárius az x 0 -ban az (x 0, y 0 )-ban az érintő sík xoy n u xi x j (x 0 ) x i x j i,j=1 előjeltartó.

Ha u xi x j (P 0) = 0 minden i és j-re, akkor magasabbrendű megközeĺıtésekre is szükség van. A fenti négyzetes alak pozitív definit, ha a u x1 x 1 u x1 x 2... u x1 x n D 1 = u x1 x 1, D 2 = ux 1x 1 u x1 x 2 u x2 x 1 u x2 x 2,... Dn = u x2 x 1 u x2 x 2... u x2 x n........ u xnx1 u xnx2... u xnx n determinánsok mindegyike pozitív és negatív definit, ha D 1 < 0, D 2 > 0,..., ( 1) n D n > 0

Példa Tanulmányozzuk az u(x, y) = x 2 + my 2 függvény szélsőértékét az m paraméter függvényében.